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摘要：在复杂地形下的风电场设计中，风电场建模和风能资源模拟尤为重要，它直接关系到后期机组选型、机组布置及发电量计算，并最终影响到项目本身的经济性。本文通过对北方某山区风电场风能资源和地形进行分析，并结合实际设计经验，对复杂地形下的风电场建模和风能资源模拟进行了阐述，并总结了在设计中应注意的问题。
关键词：风电场建模；风能资源模拟；补图
Abstract: In the design of the wind farm in complex terrain, wind farm modeling and simulation of wind energy resources is particularly important, because it is directly related to the latter unit selection, arrangement and power calculation unit, and ultimately affect the economics of the project itself. In this paper, a mountainous area north of wind energy resources and terrain analysis, combined with practical experience in the design of the wind farm modeling and simulation of complex terrain wind resources were elaborated and summarized in the design should pay attention to the issue through.
Keywords: wind farm modeling;simulation of wind energy resources;supplementary topographic maps
中图分类号：TK8文献标识码：A
一、前言
近年来，世界风电装机容量以平均近30%的速度快速增长，风电技术日渐成熟，发电成本大幅度降低，展现了良好的发展前景。受全球发展态势的引领及国家政策驱动，我国风电发展呈现强劲发展势头。随着风力发电机组建设数量的逐年增加，对风电工程设计提出了更高的要求。而对于复杂地形下的风电场，风电场建模和风能资源模拟的准确与否，直接关系到机组选型、机组布置及发电量计算，并最终影响到项目本身的经济性。因此，对前期的风电场建模和风能资源模拟进行完善，是开展机组选型及机组布置的前提条件，是风电场设计应完成的首要工作。
二、项目概况
某风电场位于河北省北部，风电场规划占地总面积约160km2，装机规模为150MW。本风电场附近规划有多处风电场。风电场附近建有四座测风塔，编号分别为#0001 、#0002 、#0003 、#0004, 塔高均为70m。本风电场与测风塔相对位置如下图所示：
测风塔与风电场相对位置示意图
三、风电场建模和风能资源模拟
通过对本风电场进行分析，第一，其位于山区，地形较复杂；第二，所覆盖的面积较大；第三，风电场附近虽有四座测风塔（#0001、#0002、#0003、#0004），但只有#0003一座测风塔位于风电场范围内。针对以上情况，如何在现有测风塔的基础上，能够更准确地模拟本风电场风能资源成为关键问题。据此，应从以下三个方面出发：
第一，尽量借助与本风电场相邻的其他风电场内的测风塔数据；测风塔实测数据整理完善、准确。以此来保证测风数据输入条件的可靠性。
第二，尽量采用近期实测地形图和大比例尺地形图，保证地形图的准确性和实时性；地形图范围要尽量大；数字地形图处理要保证其精度，以及粗糙度的赋值要准确等。以此来保证风电场建模输入地形条件的准确性。
第三，在保证测风数据输入的准确性和尽量多的采用测风塔数据，并保证数字地形图等高线和粗糙度输入准确的基础上，多塔同时利用并选用合适的数值模拟方法，双管齐下，以期保证对整个风电场的风资源模拟准确。
（一）尽量多地收集测风数据
通过了解，本风电场附近已规划有400MW风电场，同时已建成有其他若干风电场。因此，应根据其他风电场与本风电场的距离和相对位置，尽量收集离本风电场较近的其他风电场内的测风塔数据，综合考虑，多塔利用来提高风资源模拟的准确性。
（二）測风塔数据处理准确
测风数据处理，除了应严格按照规范要求之外，还要着重做到以下几点：
1、采用测风塔10min数据，而非逐小时数据。
2、应尽量收集测风塔所有时段的数据，并对所有时段进行数据处理。
3、尽量多个测风塔综合考虑，选择测风塔共有时段数据，并结合数据有效完整率，尽量选取两个甚至两个以上完整年测风数据。
4、应结合附近代表气象站对风电场实测数据进行准确代表年修正或准确判断其为大风年、小风年还是平风年。尽量选取平风年时段数据。如果测风数据和气象站相关性较差，尽量不订正，保证数据的真实性和可靠性。
5、对测风塔周围地形、地貌等全面掌握，并针对主要参数，如风切变、湍流强度等进行详细分析。
以下是本风电场附近#0001测风塔70m和60m风速相关关系图。由下图可知，两高度相关关系出现两条分叉。多数人可能认为是错误数据，但这种情况的出现，可能是测风塔周围有障碍物的原因，非错误数据。通过对实测地形图上#0001测风塔位置观察可知，测风塔周围确实分布有很多灌木。
#0001测风塔70m和60m风速相关关系
另外，本风电场附近#0002测风塔出现负切变情况，应着重对其分析。虽然#0002测风塔各高度实测风速均较大，但由于负切变的情况，如果和其他区域一样选择较高轮毂高度，其风速没有增大，发电量没有相应增加，那么最终会增加经济投资。另外，负切变情况还要考虑是所有实测年都负切变还是个别时段。
#0002测风塔各高度风能参数统计成果表
选项\高度 70m 60m 40m 10m
平均风速（m/s） 9.3 9.9 9.3 9.4
（三）对风电场地形等全面掌握
1、所选用地形图精度应尽量高，即比例尺较大。
2、实测地形图等高线应完整，能真实反映地形，等高线遇地物及文字标注不中断，等高线应包含高程值，等高线等高距要小；在进行测量时应标记可能对风流动造成影响的特殊地形，如陡坎、冲沟、地面突起的石堆等；应对地面植被类型、高度、边界及防火通道和村庄边界进行准确标记；应对测量范围内的道路进行详细标注，标明道路宽度、高程、路面类型等。
3、对测风塔坐标进行实地测量并取得与地形图坐标系统一致的坐标值，以便测风塔在地形图上的落位准确，尽量避免对整个风电场数值建模时，由于测风塔位置有偏差造成的风流动模拟误差。
4、应收集风电场范围外延2km处甚至更大范围的地形图，对风电场所在大地域的地形分布和山体遮挡等情况进行全面了解，以对更准确模拟风资源提供输入依据。
5、对实测地形图进行补图操作。
对于wasp和windsim等软件来说，所选地形图区域为矩形形状，而设计中所实测的大比例地形图多数不规则，且地形图范围较小，需要对实测地形图进行补图操作。以下是本风电场西北和东南部分没有进行补图和补图情况下的模拟的风资源栅格图。由下图可知，风电场西北和东南部分显示为同一种风速分布特征，这与实际地形是明显不符的。这样会造成风资源模拟和后期的发电量计算误差。
某风电场未经补图（左）和补图后（右）得出的风速模拟结果图
6、另外，根据实测地形图上的地物和植被等标注，以及到现场进行实地踏勘，对风电场附近地形及影响该风电场风流向和风变化的障碍物等进行全面掌握，以此，设置合理的粗糙度。
（四）多塔利用并选用合适的数值模拟方法
在保证风资源处理和分析准确的基础上，同时保证地形图的精度和与实际地形图的匹配度的基础上，再选用合适的数值模拟软件，并与实测数据相结合。
1、数值模拟软件选择
准确的掌握风电场风能资源的分布情况是优化风机位布置的基础。WAsP软件是业内应用最广泛的软件，但由于WAsP软件在设计时所采用模型的限制，在进行风电场风能资源模拟时，特别是对于复杂地形，存在较大误差。为了尽量准确的模拟风电场的风能资源分布，针对本复杂风电场来说，应采用基于计算流体力学（CFD）的风资源模拟软件（如WindSim、WT软件），并通过多个软件模拟成果相结合的方式，对其进行对比分析，为风电场风资源评估提供更好的保障。
2、多个测风塔数据输入
通过软件对风电场进行模拟后，应根据实际地形，对模拟结果进行检验，并输入多年、多个测风塔数据进行相互之间验证，并对模拟结果进行修正。
如果风电场范围较大，地形较复杂，仅依靠软件模拟，且只采用较少测风塔数据，产生的误差较大。以下是本风电场#0001、#0002、#0003测风塔分别对#0004测风塔，单塔进行模拟的结果表。根据结果，仅采用一个测风塔数据，对复杂风电场来说，误差和风险较大。因此，应采用多塔、多年数据作为输入条件，对软件模拟结果进行校正，保证结果的准确度。
本风电场各塔分别对#0004测风塔单塔模拟结果表
编号 单塔模拟#0004塔风速(m/s) #0004塔实测风速(m/s) 风速差(m/s)
#0003 9.0 8.5 0.5
#0001 7.6 8.5 -0.9
#0002 10.4 8.5 1.9
四、总结
本文通过对北方某山区风电场风能资源和地形进行分析，并结合实际设计经验，对复杂地形下的风电场建模和风能资源模拟进行了阐述，并总结了此种风电场情况下，在风资源评估中应着重注意的问题：第一，尽量多的收集并处理风电场测风塔数据，并对各测风塔实测数据整理完善、准确。以此保证测风数据输入条件的可靠性。第二，采用大比例尺近期实测地形图，以此保证地形图的准确性和实时性；通过对实测地形图进行补图操作，将风电场外测风塔和其他风场机位加入模型中；粗糙度的赋值跟实际地物相结合等。以此保证风场建模输入地形条件的准确性。第三，在此基础上，同时选用合适的数值模拟方法，双管齐下，最终保证对整个风电场的风资源模拟准确。
参考文献：
1. GB/T18710-2002风电场风能资源评估[S] .
2.冯双磊.用软件对风资源进行准确评估——5％的评估误差就可能导致项目从赢利变为亏损[J].流程工业，2008(2)：28-28.
3. 洪祖兰．云南山区风电场选址的方法问题[J] .云南水力发电，2007，23(3)．
4.李魏子杰，段宇平．风电场风能资源评估[U]．发电设备，2009，5：376—378.
5.王红芳，王志勇，王霁雪风电场风能资源评估几个关键问题分析UJ水力发電，2012，38(2)：81 83.
关键词：风电场建模；风能资源模拟；补图
Abstract: In the design of the wind farm in complex terrain, wind farm modeling and simulation of wind energy resources is particularly important, because it is directly related to the latter unit selection, arrangement and power calculation unit, and ultimately affect the economics of the project itself. In this paper, a mountainous area north of wind energy resources and terrain analysis, combined with practical experience in the design of the wind farm modeling and simulation of complex terrain wind resources were elaborated and summarized in the design should pay attention to the issue through.
Keywords: wind farm modeling;simulation of wind energy resources;supplementary topographic maps
中图分类号：TK8文献标识码：A
一、前言
近年来，世界风电装机容量以平均近30%的速度快速增长，风电技术日渐成熟，发电成本大幅度降低，展现了良好的发展前景。受全球发展态势的引领及国家政策驱动，我国风电发展呈现强劲发展势头。随着风力发电机组建设数量的逐年增加，对风电工程设计提出了更高的要求。而对于复杂地形下的风电场，风电场建模和风能资源模拟的准确与否，直接关系到机组选型、机组布置及发电量计算，并最终影响到项目本身的经济性。因此，对前期的风电场建模和风能资源模拟进行完善，是开展机组选型及机组布置的前提条件，是风电场设计应完成的首要工作。
二、项目概况
某风电场位于河北省北部，风电场规划占地总面积约160km2，装机规模为150MW。本风电场附近规划有多处风电场。风电场附近建有四座测风塔，编号分别为#0001 、#0002 、#0003 、#0004, 塔高均为70m。本风电场与测风塔相对位置如下图所示：
测风塔与风电场相对位置示意图
三、风电场建模和风能资源模拟
通过对本风电场进行分析，第一，其位于山区，地形较复杂；第二，所覆盖的面积较大；第三，风电场附近虽有四座测风塔（#0001、#0002、#0003、#0004），但只有#0003一座测风塔位于风电场范围内。针对以上情况，如何在现有测风塔的基础上，能够更准确地模拟本风电场风能资源成为关键问题。据此，应从以下三个方面出发：
第一，尽量借助与本风电场相邻的其他风电场内的测风塔数据；测风塔实测数据整理完善、准确。以此来保证测风数据输入条件的可靠性。
第二，尽量采用近期实测地形图和大比例尺地形图，保证地形图的准确性和实时性；地形图范围要尽量大；数字地形图处理要保证其精度，以及粗糙度的赋值要准确等。以此来保证风电场建模输入地形条件的准确性。
第三，在保证测风数据输入的准确性和尽量多的采用测风塔数据，并保证数字地形图等高线和粗糙度输入准确的基础上，多塔同时利用并选用合适的数值模拟方法，双管齐下，以期保证对整个风电场的风资源模拟准确。
（一）尽量多地收集测风数据
通过了解，本风电场附近已规划有400MW风电场，同时已建成有其他若干风电场。因此，应根据其他风电场与本风电场的距离和相对位置，尽量收集离本风电场较近的其他风电场内的测风塔数据，综合考虑，多塔利用来提高风资源模拟的准确性。
（二）測风塔数据处理准确
测风数据处理，除了应严格按照规范要求之外，还要着重做到以下几点：
1、采用测风塔10min数据，而非逐小时数据。
2、应尽量收集测风塔所有时段的数据，并对所有时段进行数据处理。
3、尽量多个测风塔综合考虑，选择测风塔共有时段数据，并结合数据有效完整率，尽量选取两个甚至两个以上完整年测风数据。
4、应结合附近代表气象站对风电场实测数据进行准确代表年修正或准确判断其为大风年、小风年还是平风年。尽量选取平风年时段数据。如果测风数据和气象站相关性较差，尽量不订正，保证数据的真实性和可靠性。
5、对测风塔周围地形、地貌等全面掌握，并针对主要参数，如风切变、湍流强度等进行详细分析。
以下是本风电场附近#0001测风塔70m和60m风速相关关系图。由下图可知，两高度相关关系出现两条分叉。多数人可能认为是错误数据，但这种情况的出现，可能是测风塔周围有障碍物的原因，非错误数据。通过对实测地形图上#0001测风塔位置观察可知，测风塔周围确实分布有很多灌木。
#0001测风塔70m和60m风速相关关系
另外，本风电场附近#0002测风塔出现负切变情况，应着重对其分析。虽然#0002测风塔各高度实测风速均较大，但由于负切变的情况，如果和其他区域一样选择较高轮毂高度，其风速没有增大，发电量没有相应增加，那么最终会增加经济投资。另外，负切变情况还要考虑是所有实测年都负切变还是个别时段。
#0002测风塔各高度风能参数统计成果表
选项\高度 70m 60m 40m 10m
平均风速（m/s） 9.3 9.9 9.3 9.4
（三）对风电场地形等全面掌握
1、所选用地形图精度应尽量高，即比例尺较大。
2、实测地形图等高线应完整，能真实反映地形，等高线遇地物及文字标注不中断，等高线应包含高程值，等高线等高距要小；在进行测量时应标记可能对风流动造成影响的特殊地形，如陡坎、冲沟、地面突起的石堆等；应对地面植被类型、高度、边界及防火通道和村庄边界进行准确标记；应对测量范围内的道路进行详细标注，标明道路宽度、高程、路面类型等。
3、对测风塔坐标进行实地测量并取得与地形图坐标系统一致的坐标值，以便测风塔在地形图上的落位准确，尽量避免对整个风电场数值建模时，由于测风塔位置有偏差造成的风流动模拟误差。
4、应收集风电场范围外延2km处甚至更大范围的地形图，对风电场所在大地域的地形分布和山体遮挡等情况进行全面了解，以对更准确模拟风资源提供输入依据。
5、对实测地形图进行补图操作。
对于wasp和windsim等软件来说，所选地形图区域为矩形形状，而设计中所实测的大比例地形图多数不规则，且地形图范围较小，需要对实测地形图进行补图操作。以下是本风电场西北和东南部分没有进行补图和补图情况下的模拟的风资源栅格图。由下图可知，风电场西北和东南部分显示为同一种风速分布特征，这与实际地形是明显不符的。这样会造成风资源模拟和后期的发电量计算误差。
某风电场未经补图（左）和补图后（右）得出的风速模拟结果图
6、另外，根据实测地形图上的地物和植被等标注，以及到现场进行实地踏勘，对风电场附近地形及影响该风电场风流向和风变化的障碍物等进行全面掌握，以此，设置合理的粗糙度。
（四）多塔利用并选用合适的数值模拟方法
在保证风资源处理和分析准确的基础上，同时保证地形图的精度和与实际地形图的匹配度的基础上，再选用合适的数值模拟软件，并与实测数据相结合。
1、数值模拟软件选择
准确的掌握风电场风能资源的分布情况是优化风机位布置的基础。WAsP软件是业内应用最广泛的软件，但由于WAsP软件在设计时所采用模型的限制，在进行风电场风能资源模拟时，特别是对于复杂地形，存在较大误差。为了尽量准确的模拟风电场的风能资源分布，针对本复杂风电场来说，应采用基于计算流体力学（CFD）的风资源模拟软件（如WindSim、WT软件），并通过多个软件模拟成果相结合的方式，对其进行对比分析，为风电场风资源评估提供更好的保障。
2、多个测风塔数据输入
通过软件对风电场进行模拟后，应根据实际地形，对模拟结果进行检验，并输入多年、多个测风塔数据进行相互之间验证，并对模拟结果进行修正。
如果风电场范围较大，地形较复杂，仅依靠软件模拟，且只采用较少测风塔数据，产生的误差较大。以下是本风电场#0001、#0002、#0003测风塔分别对#0004测风塔，单塔进行模拟的结果表。根据结果，仅采用一个测风塔数据，对复杂风电场来说，误差和风险较大。因此，应采用多塔、多年数据作为输入条件，对软件模拟结果进行校正，保证结果的准确度。
本风电场各塔分别对#0004测风塔单塔模拟结果表
编号 单塔模拟#0004塔风速(m/s) #0004塔实测风速(m/s) 风速差(m/s)
#0003 9.0 8.5 0.5
#0001 7.6 8.5 -0.9
#0002 10.4 8.5 1.9
四、总结
本文通过对北方某山区风电场风能资源和地形进行分析，并结合实际设计经验，对复杂地形下的风电场建模和风能资源模拟进行了阐述，并总结了此种风电场情况下，在风资源评估中应着重注意的问题：第一，尽量多的收集并处理风电场测风塔数据，并对各测风塔实测数据整理完善、准确。以此保证测风数据输入条件的可靠性。第二，采用大比例尺近期实测地形图，以此保证地形图的准确性和实时性；通过对实测地形图进行补图操作，将风电场外测风塔和其他风场机位加入模型中；粗糙度的赋值跟实际地物相结合等。以此保证风场建模输入地形条件的准确性。第三，在此基础上，同时选用合适的数值模拟方法，双管齐下，最终保证对整个风电场的风资源模拟准确。
参考文献：
1. GB/T18710-2002风电场风能资源评估[S] .
2.冯双磊.用软件对风资源进行准确评估——5％的评估误差就可能导致项目从赢利变为亏损[J].流程工业，2008(2)：28-28.
3. 洪祖兰．云南山区风电场选址的方法问题[J] .云南水力发电，2007，23(3)．
4.李魏子杰，段宇平．风电场风能资源评估[U]．发电设备，2009，5：376—378.
5.王红芳，王志勇，王霁雪风电场风能资源评估几个关键问题分析UJ水力发電，2012，38(2)：81 83.